instructivo módulo convertidor cc.cc elevador
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1. 15 1 4 MODO DE FASE CORRECTA DE PWM EN ARDUINO 16 2 MODELADO Y DISENO DEL CONVERTIDOR CC CC BOOST 18 2 1 MODELO DEL CONVERTIDOR 18 2 1 1 ls cec APP aaa 19 2 1 2 Promedia int ardor i tot Len ode I toit Lon teet ead 19 2 1 9 LinealiZaci ri ci 20 2 1 4 Espacio de estados iue deii eii 21 2 2 DISENO DEL CONVERTIDOR CC CC 21 2 4 AN LISIS DE LOS 28 2 4 1 IndU ctor m R 28 24 2 MAUCIOT pce 29 2 5 PROTOTIPO DEL CONVERTIDOR ELEVADOR 30 3 DISENO DE 33 3 1 FUNCI N DE TRANSFERENCIA eene 33 3 2 ECUACI N EN DIFERENCIAS DEL CONTROLADOR 34 3 3 CONTROLADOR otii npn tt 35 3 4 PROTOTIPO DEL CONVERTIDOR ELEVADOR LAZO CERRADO una 37 4 CONSTRUCCI N Y RESULTADOS 0 40 41 CONSTRUCCI N 40 4 1 1 Estructura del m dulo oro orae cocum mes ox ec c Res 40 4 1 2 Circuito ImpE850 ar At 43 4 1 3 Fuente de alimentaci n del m du2. 39 Figura 28 Caja para construcci n del 40 Figura 29 Tapa del m dulo e 41 Figura 30 Tapa perforada con las borneras ensambladas 41 Figura 31 Dise o del adliesiVO os edt ddd ddd de tob dn 42 Figura 32 M dulo convertidor CC CC elevador 42 Figura 33 Mult metro digital para m dulo de instrumentaci n 43 Figura 34 Placa del m dulo 2 2 44 Figura 35 Circuito completo del 2 44 Figura 36 Fuente de alimehtaci n a io UE la eu n 45 Figura 37 Tarjeta Aoi edens 46 Figura 38 Adaptador USB a serial 5 232 46 Figura 39 Conexi n para quemar el 47 LISTA DE TABLAS Tabla 1 Par metros de ee eee ener nen 22 Tabla 2 Especificaciones de 23 Tabla 3 Resultados de par metros de 23 Tabla 4 Caracter sticas b sicas de los 26 Tabla 5 Caracter sticas de los inductores a implementar 28 Tabla 6 Caracter sticas de la fuente 45 Tabla
3. Fuente Fotografia Autores En la siguiente figura se aprecia el sistema en lazo abierto del convertidor CC CC elevador con las cargas de 18 y 24 volts Figura 19 Sistema en lazo abierto del convertidor elevador Fuente Fotograf a Autores Para las pruebas se utiliz los valores de los componentes ya planteados en las especificaciones de disefio de la Tabla 2 31 Se verific la senal del PWM que llega al inductor por medio del osciloscopio Ver anexo A El sistema tiene conectado la carga de 24 volts tiene un funcionamiento estable y adecuado a los par metros dise ados anteriormente Figura 20 Convertidor elevador en funcionamiento con el osciloscopio Fuente Fotograf a Autores Las pruebas sobre este prototipo se desarrollaron con el inductor 1 ya que con este el sistema funciona en modo de conducci n continua y no genera arm nicos sobre la carga que evita que se produzca vibraci n y ruido en el motor este inductor se utilizar para la implementaci n de todo el sistema 32 3 DISENO DE CONTROLADOR 3 1 FUNCI N DE TRANSFERENCIA Para hacer el an lisis de las funciones de transferencias se parte del modelo lineal visto en las ecuaciones 2 16 y 2 17 y se procede a desarrollar la transformada de Laplace de las ecuaciones para aplicar sobre este la t cnica de control Se asumen condiciones iniciales iguales a 0 y se obtienen las siguientes ecuaciones 1 U
4. 12 Figura 1 Esquema del convertidor reductor Switch Inductor Supply Voltage Capacitor Vs V Fuente Power electronics Esquema 3 noviembre de 2014 Disponible en la web lt http www powere dynamictopway com dc3 htm gt Las ecuaciones principales del convertidor reductor son Vo Ecuacion 1 1 V NM 1 D R indo mna 27 cuacion 1 L factor Lmin Ecuaci n 1 3 I __ cuacion 1 ma po t Ecuaci n 1 5 cuacion 1 ve 1 2 CONVERTIDOR ELEVADOR Se denomina convertidor elevador Boost ya que la salida de tensi n es mayor que la de entrada 13 Figura 2 Esquema del convertidor elevador Supply Voltage Resistance Vs Switch Capacitor Vo Fuente Power electronics Esquema 3 noviembre de 2014 Disponible en la web lt http www powere dynamictopway com dc5 htm gt El funcionamiento de este convertidor se puede dividir en dos estados El estado 1 empieza cuando el transistor se cierra en un instante de tiempo cero t 0 la corriente de entrada pasa por el inductor y el transistor El estado 2 se inicia cuando el transistor se apaga y la corriente que antes pasaba por el transistor ahora pasa por el inductor el capacitor el diodo y la carga Cuando la corriente del inductor baja se enciende nuevamente el transistor dando inicio nuevamente el ciclo 8 Las ecuaciones del sistema son Vs 1 D
5. Para el interruptor abierto las ecuaciones son las siguientes Figura 7 Esquema convertidor elevador con interruptor abierto ak ans 7 Vs T DC Rload Vo Fuente Autores dij 1 Vo dt 7 Ecuaci n 2 3 dvo ij t RE Ecuaci n 2 4 2 1 1 Parametrizar Se expresa el sistema de ecuaciones en un nico sistema bilineal Para esto se define un par metro 4 As 0 cuando el interruptor no conduce 1 cuando el interruptor conduce di v v Ecuaci n 2 5 dt L L dv ip v 22 a Ke TT Ecuaci n 2 6 2 1 2 Promediar Se utiliza un m todo de promediado para simplificar las ecuaciones que rigen la din mica del convertidor de la siguiente manera tf xq Ecuaci n 2 7 Ts Jt 19 Ahora se encuentran los valores promedios de y ice 1 t Ts vi Ecuaci n 2 8 s Jt tT ico ieat X Ecuaci n 2 9 De las ecuaciones 2 8 2 9 se llega al resultado del sistema promediado asi Wa Ecuaci n 2 10 dt L L dv i v 0 7 T Ecuaci n 2 11 2 1 3 Linealizaci n Para la linealizaci n del sistema se aplica la expansi n por series de Taylor p af n O Ax uy Ugo Ecuaci n 2 12 Xk Xko 7 Para que el modelo en pequena quede adecuadamente linealizado se encuentran los valores promedios de las variables de
6. 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 BIBLIOGRAF A Atmel ATmega640 V 1280 V 1281 V 2560 V 2561 V datasheet En l nea Citado 17 nov 2014 Disponible en lt http www atmel com Images Atmel 2549 8 bit AVR Microcontroller AT mega640 1 280 1281 2560 2561_datasheet pdf gt BACHA Seddik et al Power Electronic Converters Modeling and Control 1 ed London Springer 2014 469 p ISBN 978 1 4471 5478 5 CAMPUZANO Joaquin et al Modelo de simulaci n con p rdidas y estrategia de control PID para el convertidor buck En Revista Colombiana de tecnolog as de avanzada Octubre 2013 Vol 2 no 22 p 1 8 ERICKSON Robert W MAKSIMOVIC Dragan Fundamentals of power electronics 2 ed Springer 2001 883 p ISBN 978 0 306 48048 5 GRINO Robert MALO Shane An lisis y disefio de controladores lineales para el convertidor elevador boost bidireccional en corriente Tesis de maestr a Universidad Polit cnica de Catalu a 2005 61 p HART Daniel W Electr nica de Potencia 2 ed Madrid Prentice Hall 2001 472 p ISBN 84 205 3179 0 Ib d p 203 210 Ib d p 212 217 Ib d p 219 MOHAN Ned UNDENLAN Tore M y ROBBINS William P Power Electronics Converters Applications and Design 2 Ed Nueva York John Wiley amp Sons 1995 p 144 OGATA Katsuhiko INGENIER A DE CONTROL MODERNA 3 ed Prentice Hall 2
7. Caracter sticas b sicas de los motores Par metros Motor 18 V Motor 24 V Resistencia 132 70 12 8 0 Inductancia 115 5mH 7 92mH Capacitancia 2 04 uF 23 9 uF Fuente Autores 26 En la siguiente figura se puede observar el motor de 18 volts donde se puede ver la caja reductora del mismo Figura 13 Motor de 18 volts Fuente Autores El motor de 24 volts se puede apreciar en la siguiente figura Figura 14 Motor de 24 volts Fuente Autores 27 Los motores mostrados en las figuras 13 y 14 se utilizaran para las pr cticas de laboratorio que permitir n el an lisis del comportamiento del sistema ante estas cargas inductivas 2 4 AN LISIS DE LOS INDUCTORES Para el convertidor elevador se cuenta con dos inductores que se pretenden utilizar en las pr cticas con el prototipo del circuito donde se toman en cuenta las caracter sticas de estos dos para observar el comportamiento en el sistema El objetivo principal del estudio sobre el comportamiento de los bobinados es determinar cu l de los dos inductores seg n sus caracter sticas generales es el indicado para un funcionamiento adecuado del convertidor En la Tabla 5 se puede apreciar las caracter sticas de los dos inductores que se aplicar n en el an lisis del circuito Tabla 5 Caracter sticas de los inductores a implementar Inductor 1 Inductor 2 Par metro Resistencia Ohm
8. 15d Y 61 Diode test Transistor test Display hold USB RS232 interface Automatic power off lt 2 lt Low battery indication Y EN61010 1 CAT II CAT 600V Bettery 1 5V AAAx2 62 ANEXO D CIRCUITO IMPRESO E 000229 o o o 5000002 63 666666666 SH let 64 ANEXO E INSTRUCTIVO DEL M DULO 65 Autores Sebastian Cardona Herrera Steven Ospina Hurtado INSTRUCTIVO MODULO CONVERTIDOR CC CC ELEVADOR INSTRUCTIVO MODULO CONVERTIDOR CC CC ELEVADOR INGENIERIA MECATRONICA SEBASTIAN CARDONA HERRERA STEVEN OSPINA HURTADO Universidad Tecnol gica de Pereira Contenido INTRODUCCI N a ea 3 DESCRIPCI N COMPONENTES c sssssssssssssssssessssessssesessesesessssessesesusscaesucsessscsesecseacsecaesensescsneasees 4 1 Convertidor elevador 4 2 FUENTE de allMentaci n a 4 3 M dulo de Instrumentaci n io 5 4 Cargas del MOC eanmaces 6 INSTRUCCIONES DE OPERACION c ccsccssssssessssessssscsssscsessssncsessesnssesscsueaesscsesassucsesacsecsesneaeeseaneass 7 INSTRUCTIVO MODULO CONVERTIDOR CC CC ELEVADOR INTRODUCCION La presente guia tiene como objetivo brindar al lector la estructura de como se debe manejar el m dulo convertidor CC CC elevador En el documento se presentan las herramientas que componen el entrenador adem s de la configuraci n del dispositivo y puesta en ma
9. 19 0 19 24 21 0 21 24 21 0 21 Fuente Autores Al tener las muestras se procede a calcular el promedio de las mediciones de voltaje de salida con la siguiente ecuaci n Mica Xi n X Ecuaci n 4 1 Para la referencia de 18 volts el promedio de las medidas es X 1820 V La desviaci n media de los valores medidos del error en estado estable se encuentra con la siguiente ecuaci n Xy Ecuaci n 4 2 n 1 El resultado de la desviaci n es de S 0 03 V entonces se calcula el valor aceptado para el controlador as Valor de salida del convertidor X S Ecuaci n 4 3 50 La salida de voltaje del sistema que va a las cargas para la referencia de 18 Volts es de Valor de salida del convertidor 18 20 0 03 V Ecuaci n 4 4 Ahora se procede a realizar el mismo analisis para la referencia de 24 Volts primero se calcula el valor promedio de las mediciones con la ecuaci n 4 1 dando el resultado de X 24 19 V Luego se calcula la desviaci n con la ecuaci n 4 2 dando como resultado S 0 02 V para llegar al valor estimado de las mediciones con la ecuaci n 4 3 as Valor de salida del convertidor 24 19 0 02 V Ecuaci n 4 5 Las ecuaciones 4 4 y 4 5 indican la dispersi n que puede llegar a tomar el valor del voltaje de salida del m dulo convertidor CC CC elevador 51 CONCLUSIONES El c lculo del modelo din mico que se desarroll para el
10. BOOST Para el disefio del sistema se determinan los par metros principales de los cuales consta el convertidor CC CC elevador En la Tabla 1 se hizo uso de las siguientes ecuaciones 13 21 Tabla 1 Par metros de dise o Par metro Ecuaci n Ciclo de trabajo k k Vo Vs Vo Corriente de rizo pico a picoA Al Vsk fL Corriente promedio a la entrada lo I 1 1 Corriente pico del inductor 1 Al L I 2 Voltaje pico a pico de capacitor AV lok AV fC Valor critico de inductor Le z SL 2fl Valor critico de capacitor C C klo 2fW Fuente Autores Donde Corriente en la carga V Tensi n de alimentaci n V Tensi n de carga f Frecuencia de conmutaci n Haciendo uso de las ecuaciones mencionadas en la Tabla 1 se dise dos convertidores elevadores con distintas cargas La Tabla 2 muestra las especificaciones de dise o 22 Tabla 2 Especificaciones de disefio Variable Convertidor 1 Convertidor 2 Tensi n de alimentaci n V 12 V 12 V Tensi n de carga 18 V 24 V Frecuencia de conmutaci n 31370 Hz 31370 Hz f Corriente en la carga 1 0 015 A 0 075 A Inductor L 8 83 mH 8 83 mH Capacitor C 220 uF 220 uF Fuente Autores En la siguiente tabla se observa los valores que se obtienen con la ayuda de las ecuaciones mostradas en la Tabla 1 Tabla 3 Resultad
11. alimentaci n Resistencia de medida del inductor solo para medici n de corriente de inductor resistencia de shunt Inductor Transistor Diodo 1 Capacitor Diodo 2 usado para motores Carga inductiva Motores Switche de referencia set point 0 Controlador N 2 Si se desea establecer un valor de set point distinto al establecido se debe realizar cambiando el estado del switche de referencia INSTRUCTIVO M DULO CONVERTIDOR CC CC ELEVADOR EN Figura 8 Establecer referencia Fuente Autores Cuando se desee modificar de nuevo el valor de referencia se aconseja apagar el entrenador y repetir los pasos de puesta marcha vistos anteriormente
12. del sistema Se hace el cambio a la transformada z as Kpz Kihz M Cz Z jez Ecuaci n 3 7 Se factorizan con respecto a la transformada z Donde se hacen cambio de notaci n para las constantes as Kp Kp De esta forma se reescribe la ecuaci n as Co tig t q Ecuaci n 3 8 Luego se aplica la siguiente ecuaci n 1 1 Ecuaci n 3 9 Se reemplaza la ecuaci n 3 8 en la ecuaci n 3 9 quedando la ecuaci n en diferencias que vendr a en el sistema digital as 1 1 Ecuaci n 3 10 Las constantes C y C se obtienen de la sintonizaci n hecha desde MATLAB con la opci n Tune se sintoniza el controlador y se configuran el m todo de discretizaci n y el tiempo de muestreo para el controlador En la siguiente figura se puede apreciar la ventana de configuraci n 34 Figura 21 Ventana de configuraci n del controlador Function Block Parameters PI PID Controller This block implements continuous and discrete time PID control algorithms and includes advanced features such as anti windup external reset and signal tracking You can tune the PID gains automatically using the Tune button requires Simulink Control Design Controller PI Time domain Discrete time settings 5 Continuous time Integrator method Forward Euler Y Discrete time Sample time 1 for inherited 1
13. proyecto del convertidor elevador cumple con el objetivo del proceso matem tico ya que los an lisis desarrollados por software demostraron que el sistema qued apropiadamente linealizado por la aproximaci n de la expansi n por series de Taylor Se puede concluir que al examinar las simulaciones de las funciones de transferencia que se hallaron a partir de las ecuaciones diferenciales al realizar el diagrama de bloques en Simulink este esquema en lazo cerrado provee una gr fica que muestra un correcto funcionamiento del controlador sintonizado con la ayuda de MATLAB determinando que el modelo en peque a se al del convertidor permite inspeccionar el comportamiento del circuito de una manera muy general pero sin perder la naturaleza del conversor CC CC El estudio que se efectu sobre los inductores dio resultados muy positivos debido a que se pudo observar los distintos comportamientos que toma el convertidor elevador Se puede concluir as Sobre el inductor 1 se pudo observar el comportamiento en modo de conducci n continuo y sobre esta forma se trat el sistema durante todo el proyecto puesto que este estado de conducci n del circuito nos permite una mejor estabilidad en estado estacionario para el tipo de carga que se utiliz durante el dise o y la construcci n del m dulo pesar de que el inductor 2 genera una resonancia sobre los motores produciendo ruido en la se al de salida que va a las cargas del cir
14. rk valor uk C1 ek C2 ek1 uk1 Ecuaci n en diferencias del controlador uk1 uk Estados anteriores ek1 ek duty uk 255 constante 8 5 para motor 24V 10 394 para motor 18V Saturaci n de la se al del duty para proteccion del sistema y evitar que se desestabiice la entrada if duty gt saturacion duty saturacion Establecemos el valor anal gico para la salida PWM analogWrite pinLed duty duty para planta real funciona en 157 24V para motor real 92 18V frecuencia generada 31 38 kHz delay 700 Motor de planta duty en osciloscopio de 45 para un valor de 145 con una salida de voltaje de 24 V 60 ANEXO C HOJA DE DATOS MULT METRO Counter Digits Panel size Backlight Analog bargraph Auto Manual ranging DC V AC V DC A AC A Resistance Q Frequency Hz Capacitance pF Temperature C Continuity with beeper 3999 3 3 4 57x33mm 18 9mm high figure N N Both 400mV 4V 40V 400V 0 5 4d 600V 1 0 4d 4V 40V 400V 0 8 6d 600V 1 0 6d 4001 4000 1 0 1 0d 40mA 400mA 1 0 1 0d 10A 1 2 10d 4001 4000 1 5 1 0d 40mA 400mA 1 5 1 0d 10A 2 5 15d 4000 0 8 5d 4 40 400K 4MQ 0 8 4d 40MO 1 2 10d 1 10 100Hz 0 5 10d 1K 10K 100KHz 0 5 1 0d 1 10MHz 0 5 10d 4nF 0 5 90d 40nF 400nF 4uF 40uF 3 5 8d 100uF 5 0 8d 20C 1000C lt 400C 1 0 5d 20C 1000C gt 400C 1 5
15. se desarrolla el mismo ejercicio los componentes principales quedan intactos y solo se cambia la carga del sistema el esquema con sus componentes es el siguiente Figura 10 Esquema convertidor elevador de 18 volts software OrCAD L1 D4 83mH MUR480 gg M2 IRFZ34 PW 9 99 PER 33 33u k PEE i Fuente Autores La se al de salida se muestra en la figura 11 Figura 11 Gr fica del convertidor elevador de 18 volts software OrCAD 44 6ms 44 5ms 45 8ns 45 5ms 46 9 5 6 5ms 47 8ns 47 505 48 9 5 48 5ms U D4 2 U Us1 Time Fuente Autores 25 De la figura anterior se puede destacar que el sistema en lazo abierto solo tiene una p rdida de 1 5 volts Las gr ficas generadas del convertidor en lazo abierto del voltaje de salida y la corriente del inductor tambi n se generaron en el software MATLAB en Simulink En la siguiente figura se observa el comportamiento del sistema en modo de conducci n continua Figura 12 Gr ficas de voltaje de salida y corriente de inductor Simulink m Scope 5 OSS Voltaje de salida Corriente de inductor 0 8256 0 8256 0 8257 0 8257 0 8258 0 8258 0 8259 Time offset 0 Fuente Autores 2 3 CARGA DEL CONVERTIDOR ELEVADOR Para el convertidor elevador se utilizan dos cargas inductivas son motores DC Las caracter sticas de estos motores se encuentran en la siguiente tabla Tabla 4
16. sobre pico inicial de voltaje que se le denomina sobre oscilaci n esta gr fica se muestra en la figura 17 donde se observa el sistema en lazo abierto esta correcci n en la salida hace que el sistema incremente lentamente el voltaje hasta llegar a la referencia sin causar una sobretensi n en el motor demasiado abrupta que genere problemas en la carga del circuito como ocurr a con el convertidor sin su controlador En la figura anterior se puede ver que la respuesta es sub amortiguada y no tiene oscilaciones peque as para llegar a estado estacionario 36 3 4 PROTOTIPO DEL CONVERTIDOR ELEVADOR EN LAZO CERRADO La retroalimentaci n al sistema se lleva a cabo por medio de un divisor de tensi n el cual es el sensor del sistema que permite cerrar el lazo y llegar al microcontrolador para que este procese su sefial y el algoritmo de control corrija la se al El esquema del divisor de tensi n se elabor en Simulink el resultado que da la salida del sensor se halla con la siguiente ecuaci n 470 0 Sefial sensor 470 0 1 8 24 V Ecuaci n 3 11 Se al sensor 4 978 V El sensor escala la salida de voltaje del convertidor a un voltaje de 0 a 5 que se puede ingresar al microcontrolador para que el sistema pueda hacer la conversi n an logo digital La siguiente figura muestra el esquema de conexi n del sensor Figura 24 Divisor de tensi n sensor del convertidor elevador Se al sensor 4
17. 00 000 00 Total 920 000 00 Fuente Autores 4 2 3 Costo total Se realiza la suma de los costos de materiales y de trabajo para obtener el presupuesto final del proyecto Tabla 9 Presupuesto final TIPO COSTO Costos personales 920 000 00 Costos materiales 386 000 00 Total 1 306 000 00 Fuente Autores 4 3 RESULTADOS Los desarrollos te ricos fueron verificados por medio de simulaciones y pruebas experimentales todos bas ndose en el modo de conducci n continua Los resultados demuestran que la din mica del sistema en lazo cerrado mejor el funcionamiento del convertidor donde se corrige el ciclo de trabajo para que su se al permanezca suave sin cambios bruscos en el ancho de pulso Se analiz el error en estado estable para verificar la calidad del controlador en el convertidor CC CC elevador frente a las cargas del sistema La siguiente tabla tiene 10 muestras de cada referencia para comprobar la variaci n del error y el valor del voltaje de salida 49 Tabla 10 Muestras de la variaci n del error Referencia Voltaje de salida Error de estado estable r k V V 18 18 0 18 18 21 0 21 18 16 0 16 18 17 0 17 18 21 0 21 18 Volts 18 19 0 19 18 25 0 25 18 22 0 22 18 20 0 20 18 19 0 19 24 21 0 21 24 17 0 17 24 15 0 15 24 22 0 22 24 21 0 21 24 Volts 24 19 0 19 24 15 0 15 24 18 0 18 24
18. 003 965 p ISBN 970 17 0048 1 RASHID Muhammad H Electr nica de potencia circuitos dispositivos y aplicaciones 3 ed Pearson educaci n p 186 ISBN 970 26 0532 6 Ib d p 192 194 55 14 RESTREPO Carlos TORRES Carlos Andr s Consideraciones de dise o est tico y din mico para convertidores CC CC En Scientia et technica Agosto 20089 no 42 p 57 62 15 VALDERRAMA Freddy F VEGA H ctor M An lisis simulaci n y control de un convertidor de potencia DC DC tipo boost En INGENIUM Julio diciembre 2011 no 24 p 44 55 56 ANEXOS ANEXO A HOJA DE DATOS OSCILOSCOPIO TechnicalData Type Backlight intensity Display resolution Display contrast Sensitivity and accuracy Vertical resolution Width of band 3dB Rise time Sing shot band width Input coupling DC gain accuracy Delta voltage Measurement accuracy SEC DIV range Sampling rate range Wave form interpolation Record length Memory length Sampling rate and delay Time accuracy Delta time Measurement accuracy Acquisition Mode Type Hold Off Range MATH Input couping Input impedance Probe attenuation Max input voltage DQ6025 DQ6052 DQ6052E DQ6102E Display 7 rectangle color LCD 300cd m 400 horizontal x 240 vertical pixels Adjustable VERTICAL SYSTEM 1 DIV 20V DIV 8 bit 25MHz 50MHz 50MHz 100MHz lt 14ns lt 7ns lt 7ns lt 3 5ns 25MHz 50MHz 50MHz 100MHz DC GND AC 5 1mV DIV 2mV DIV 4 5
19. 3 50 0 50 Capacitancia Farads 104 06 uF 152 02 uF Inductancia Henrios 8 83 mH 0 372 mH Fuente Autores 2 4 1 Inductor 1 La gr fica de la se al de corriente en el inductor 1 se tom gracias al osciloscopio Ver anexo A que se encuentra en el laboratorio de ingenier a mecatr nica Se puede apreciar en la siguiente figura la sefial del inductor 28 Figura 15 Grafica de corriente sobre el inductor 1 Fuente Fotografia Autores Al observar la figura 15 se puede concluir que el circuito esta trabajando adecuadamente ya que se encuentra en funcionamiento de modo continuo por ende la corriente sobre el inductor ij nunca cae cero Al analizar el sistema con este inductor se presenta un funcionamiento correcto teniendo en cuenta que las cargas aplicadas para esta pr ctica son motores DC 2 4 2 Inductor 2 En la figura 16 se puede apreciar la gr fica de corriente sobre el inductor 2 donde se aprecia que el sistema entra en modo de conducci n discontinua Figura 16 Gr fica de corriente sobre el inductor 2 NEUEM Coe ha Fuente Fotografia Autores 29 Ya que el sistema entra en modo de conducci n discontinua la corriente que pasa por el inductor cae en un intervalo de tiempo a cero En este caso el inductor tiene un valor de inductancia mucho menor lo que ocasiona que en uno de esos intervalos de tiempo se descargue mucho m s r pido que el tiemp
20. 7 Costos de materiales ooooonnnccccnnccccconononnnnnnnnnnnononononnncnnnnnnnnnnnnnos 47 Tabla 8 Costos de trabajo ue ec pb EDEN INE es 49 9 49 Tabla 10 Muestras de la variaci n del error 50 ANEXOS X DE 57 ANEXO Bosa 59 ANEXO nl ene ieee eee ieee eed R O E 61 O A 63 ANEXO I M 65 INTRODUCCION La industria moderna se mueve gracias a la energia el ctrica Los sistemas con circuitos de electronica de potencia convierten la energia el ctrica de un tipo a otro utilizando dispositivos electr nicos En la electr nica de potencia se combinan la potencia la electr nica y el control El control tiene que ver con caracter sticas de estado estable y din micas de sistemas de lazo cerrado La potencia tiene que ver con el equipo est tico y rotatorio para la generaci n transmisi n y distribuci n de la energ a el ctrica La electr nica tiene que ver con los dispositivos y circuitos de estado s lido para el procesamiento de se ales que cumplan con los objetivos deseados en el control Entonces electr nica de potencia se puede definir de forma muy b sica como las aplicaciones de la electr nica de estado s lido para el control y la conversi n de la energ
21. 70 Ohm Fuente Autores La implementaci n del modelo f sico se elabor en un protoboard el sistema est en lazo cerrado gracias al sensor que hace la retroalimentaci n al convertidor En la figura 25 se puede ver el circuito completo con la puesta en marcha del motor de 18 volts y con el arduino mega 2560 37 Figura 25 Sistema en protoboard lazo cerrado con motor de 18 volts Fuente Fotografia Autores El arduino utilizado para la pr ctica final es el pro mini atmega 328 la versi n de 5 volts y de 16MHz Figura 26 Arduino pro mini atmega328 Fuente Fotograf a Autores La siguiente figura muestra el convertidor en lazo cerrado con la carga de 24 volts y el arduino pro mini atmega328 38 Figura 27 Prototipo convertidor lazo cerrado motor 24 volts DIE Fuente Fotograf a Autores Al desarrollar la pr ctica en lazo cerrado sobre un protoboard el convertidor no presenta un sobre impulso que supere el 25 lo cual es aceptable para los requerimientos de dise o El tiempo de subida en el estado transitorio es aproximadamente un segundo lo que presenta una respuesta m s lenta si se genera una perturbaci n abrupta en la carga 39 4 CONSTRUCCION Y RESULTADOS 4 1 CONSTRUCCION 4 1 1 Estructura del m dulo Para la construcci n del m dulo convertidor CC CC elevador se utiliza una caja rectangular usada para acometida el ctrica la caja es de pl st
22. CONSTRUCCION DE MODULO CONVERTIDOR CC CC ELEVADOR PARA PRACTICAS EN EL LABORATORIO DEL PROGRAMA INGENIERIA MECATRONICA SEBASTIAN CARDONA HERRERA STEVEN OSPINA HURTADO UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA FACULTAD DE TECNOLOGIA INGENIERIA MECATRONICA PEREIRA 2015 CONSTRUCCION DE MODULO CONVERTIDOR CC CC ELEVADOR PARA PRACTICAS EN EL LABORATORIO DEL PROGRAMA INGENIERIA MECATRONICA SEBASTIAN CARDONA HERRRERA STEVEN OSPINA HURTADO Trabajo de grado para optar al titulo Ingeniero en Mecatronica Director Ingeniero electricista Henry William Pefiuela UNIVERSIDAD TECNOL GICA DE PEREIRA FACULTAD DE TECNOLOG A INGENIER A MECATR NICA PEREIRA 2015 Nota de aceptaci n Firma del presidente del jurado Firma del jurado Firma del jurado AGRADECIMIENTOS Agradecemos en primer lugar a Dios por fortalecer nuestro espiritu y nuestro camino Gracias a nuestro director el ingeniero Henry W Pefiuela por todo el apoyo por guiarnos a realizar este proyecto por dedicarnos su tiempo y su conocimiento A nuestros padres que siempre est n ah apoy ndonos en nuestra carrera y futuro como profesionales Por ltimo agradecemos a la Universidad Tecnol gica de Pereira y al semillero de investigaci n Mecabot que nos brind herramientas para desarrollar el proyecto RESUMEN Durante el desarrollo de la construcci n del m dulo convertidor CC CC elevador se proyectaron los elementos que conformaran el diseno y construcci
23. Caracter sticas de los motores Par metros Motor 18 V Motor 24 V Resistencia 132 70 12 8 0 Inductancia 115 5 7 92mH Capacitancia 2 04 uF 23 9 uF INSTRUCTIVO MODULO CONVERTIDOR CC CC ELEVADOR INSTRUCCIONES DE OPERACION Para usar el m dulo convertidor CC CC elevador se deben realizar los siguientes pasos e Conectar el m dulo a la fuente de alimentaci n Realizar las conexiones de cada uno de los elementos que conforman el entrenador e Establecer el valor de referencia del m dulo e Encender el dispositivo e Realizar mediciones en la carga usando el m dulo de instrumentaci n El m dulo posee un interruptor de encendido y un Jack de alimentaci n el cual se conecta la fuente de alimentaci n La figura 6 muestra los elementos Figura 6 Vista lateral izquierda del m dulo Fuente Autores Al momento de realizar la conexi n entre componentes se debe realizar el cableado tomando en cuenta las l neas punteadas en cada uno de los elementos estas l neas tienen como finalidad evitar errores de conexi n de los dispositivos y guiar la ubicaci n de los componentes para un adecuado funcionamiento del circuito INSTRUCTIVO M DULO CONVERTIDOR CC CC ELEVADOR EE La siguiente figura es una vista superior del convertidor Figura 7 Vista superior del m dulo Fuente Autores El m dulo consta de los siguientes componentes 1 Fuente de
24. Ecuaci n 1 6 D 1 D R p Lain Ecuaci n 1 7 L factor Lmin Ecuacion 1 8 1 5 i n 1 9 m 1 DR 231 1 C E ion 1 10 V cuaci n 1 14 1 3 CONVERTIDOR REDUCTOR ELEVADOR Un convertidor esencial b sico es el convertidor reductor elevador donde la salida de este puede ser mayor o menor que la tensi n de entrada la polaridad del voltaje de salida es contraria a la del voltaje de entrada El modo 1 inicia cuando el interruptor se encuentra cerrado en el convertidor se genera una especie de sub circuito que se encarga de cargar el inductor el diodo se encuentra polarizado en inversa e impide el flujo de corriente hacia los componentes restantes del circuito En el modo 2 el interruptor se encuentra abierto el inductor se descarga e induce una corriente que la cual es forzada a fluir en sentido contrario generando la inversi n del voltaje 9 Figura 3 Esquema del convertidor reductor elevador Llave electr nica n d Volante E I Tensi n de Entr T Inductor Capacitor D Fuente Convertidor tipo buck boost Esquema 4 noviembre de 2014 Disponible en la web http www monografias com trabajos94 proyecto e implementacion convertidor cc cc tipo buck control carga balasto image013 gif gt A D K 5 Ecuaci n 1 11 1 D R de Lmin Ecuaci n 1 12 L factor Lmin Ecuaci n 1 13 I t d E ion 1 14 Ue a D 2R O
25. L 1 E E i n 1 15 A cuaci n 1 15 1 4 MODO DE FASE CORRECTA DE PWM EN ARDUINO La modulaci n por ancho de pulso permite generar ondas cuadradas con una frecuencia determinado esta t cnica que utiliza un ciclo de trabajo de una se al peri dica permite enviar informaci n o controlar la cantidad de energ a que se env a a una carga El ciclo de trabajo de la se al peri dica es el ciclo positivo que se expresa as T D T Ecuaci n 1 16 Donde e Deselciclo de trabajo e el tiempo en que la funci n es positiva ancho del pulso e el periodo de la se al En arduino se utilizan los timers para generar la salida de PWM estos timers var an dependiendo de la versi n del microcontrolador atmega del arduino El modo de fase correcta de PWM utilizado en arduino proporciona una forma de generaci n de la onda en alta resoluci n Este modo se basa en una doble pendiente La frecuencia de salida cuando se usa el modo de fase correcta de PWM se puede calcular mediante la siguiente ecuaci n feik 2 N TOP Ecuaci n 1 17 f Donde e N es la variable que representa el divisor prescaler 1 8 64 256 6 1024 e TOP es el valor m ximo que va a tomar la senal 0 a 255 e Fclkes la frecuencia del reloj del arduino 16 MHz 16 Al utilizar el comando analogWrite se utiliza una escala de 0 a 255 donde 255 representa una senal del 100 del ciclo de trabajo siempre encendid
26. Main PID Advanced Data Types State Attributes Controller settings Controller form Parallel Proportional P 0 220556926805743 Integral I 0 00134805332385241 Tune Initial conditions Source internal 4 n a Cancel Apply Fuente Autores Los valores encontrados con la herramienta del controlador son los siguientes C 0 241317 C 0 002868 3 3 CONTROLADOR Para la aplicaci n del controlador se utiliza el software MATLAB donde se desarrolla el an lisis del sistema en tiempo discreto y se obtienen las funciones de transferencia el objetivo es calcular y sintonizar las constantes que componen el controlador Pl para el convertidor CC CC elevador En Simulink se hace el diagrama de bloques en lazo cerrado acoplando el controlador Pl La siguiente figura muestra el diagrama de bloques en lazo cerrado 35 Figura 22 Diagrama de bloques lazo cerrado en tiempo discreto FUNCION EN TIEMPO DISCRETO Hd2 num 1Xz Hd2 den 1 z Referencia r k Soope3 Fuente Autores La figura anterior muestra el bloque del controlador Pl sintonizado con el PIDTOOL de MATLAB Al sintonizarlo con la ayuda del software se obtiene la siguiente gr fica Figura 23 Gr fica de la se al de salida con el controlador PI sintonizado Scope3 ci 28 DPP dtu 4000 Fuente Autores El controlador aten a la se al y evita el
27. V 5 Ecuaci n 3 1 L L L Uo 1 SAVo s RCA c o Ecuaci n 3 2 Se despeja de la ecuaci n 3 1 la transformada de la variaci n de la corriente el inductor Al s y se sustituye en la ecuaci n 3 2 para la factorizaci n de los t rminos similares y en el lado derecho se agrupan los t rminos cuyos factores comunes son AV s y AU quedando la ecuaci n as Uo 1 1 11075 UoVoo Le Ue 1 U 2 ete L0 2 20 5 RCS TIC 5 RCS AU Ecuaci n 3 3 En la ecuaci n 3 3 se puede observar que la din mica del sistema se define por dos funciones de transferencia una donde la entrada es el cambio del voltaje de entrada y la otra cuya entrada es el cambio en el ciclo de trabajo La funci n de transferencia que relaciona la salida de voltaje del convertidor con la entrada del cambio de ciclo de trabajo es AV 1 1 515 UV 0 2 Ecuaci n 3 4 LC 1 U sS reser RC 33 3 2 ECUACION EN DIFERENCIAS DEL CONTROLADOR Se parte de la ecuaci n del modelo Pl en el espacio de la transformada de Laplace as 15 Ki Cs Kp Ecuaci n 3 5 Ahora se procede a hacer la discretizaci n por la aproximaci n por diferencias hacia adelante EN LL S Ecuaci n 3 6 271 Donde h es el periodo de muestreo
28. a de Alem n De este tipo de productos se 10 encuentra el SITOP PSU400M de Siemens el cual es un convertidor CC CC reductor con entrada que puede oscilar entre los 200 y 900 Volts y salida de 24 Volts frecuentemente usado para accionamientos y sistemas de baterias En el laboratorio del programa ingenier a mecatr nica se encuentran una serie de entrenadores que abarcan distintas reas aun as hace falta implementos para que la asignatura de electr nica industrial que estudia la electr nica de potencia se desarrole de una manera complementaria y equilibrada que permita a los estudiantes de s ptimo semestre del programa ingenier a mecatr nica afianzar el aprendizaje en el aula de clase por medio del proceso de experimentaci n y as capturar el inter s de los estudiantes por una rama de la ingenier a que es tan vital en la industria Para dar soluci n a una de las falencias se propone como objetivo general calcular y construir un m dulo convertidor CC CC elevador para la formaci n de los estudiantes de ingenier a mecatr nica de s ptimo semestre de la universidad tecnol gica de Pereira Este m dulo ayudar a establecer las bases de los convertidores CC CC gui ndolos en el proceso de an lisis e investigaci n del circuito y complementando con el rea de sistemas de control permitiendo acoplar las asignaturas cursadas en el transcurso de la carrera 11 1 CONVERTIDORES CC CC Los convertidores CC CC conviert
29. a el ctrica Los convertidores CC CC poseen numerosas configuraciones entre estas se encuentran convertidor elevador boost convertidor reductor buck convertidor reductor elevador buck boost En estos circuitos uno de los factores el cual es vital para su funcionamiento es la frecuencia de conmutaci n ya que de esta depende la eficiencia del convertidor Con el avance de la tecnolog a especialmente en el rea de la electr nica se han podido desarrollar cada d a mejores elementos de conmutaci n transistores a un menor precio lo cual ha hecho posible su implementaci n masiva en numerosas aplicaciones Esta rea de electr nica de potencia ha presentado tener un gran valor en la industria debido a que se necesitan demasiados sistemas que procesen la energ a el ctrica de manera adecuada Los conocimientos que se requieren para esta rea deben estar complementados tanto en teor a como en la pr ctica para una mejor comprensi n de los conceptos A nivel global hay empresas que ofrecen dentro de su portafolio comercial convertidores de diversas especificaciones para numerosos sectores desde el sector aeron utico hasta el educativo en este cabe destacar las siguientes Murata Power Solutions Infineion la primera empresa es norteamericana y la segunda alemana En Colombia hay dos compa as Emerson electric de Colombia y Siemens ambas localizadas en la ciudad de Bogota la primera de origen Norteamericano y la segund
30. ce referencia al duty cycle del convertidor CC CC elevador 5 int saturacion int vi 0 int v2 0 int estado 2 int estado2 3 int sensorpin A0 float sensorvalor 0 float uk 50 double uk1 0 double ek 0 0 double ek1 0 0 int duty 0 float constante 8 5 float rk 3 7485 equivale a 24 V a rk 4 948 para motor 24 para motor de 18 3 75 double C1 0 241317116627406 double C2 0 00286855645401 587 float valor 0 0 int pinLed 9 Seleccionamos pin para el Led pin12 mega timer 1 timer 1 leonardo pines 9 10 11 pines 4 para timerO int valorSensor 0 variable para el valor del sensor void setup pinMode pinLed OUTPUT Establecemos el pin como salida pinMode estado INPUT pinMode estado2 INPUT Serial begin 9600 TCCR1B 0x81 direccion del timer seleccion del contador timer0 0x44 timer1 0x81 estan en canal TCCR1B 0x01 prescaler 1 OCR1A 255 tope de la se al o maximo pwm 0 255 TIMSK1 0 deshabilita cualquier interrupcion que pueda haber para evitar posibles conflictos j void loop sensorvalor analogRead sensorpin 59 v1 digitalRead estado delay 20 v2 digitalRead estado2 delay 20 float valor sensorvalor 5 0 1023 0 if vi 1 amp amp v2 0 rk 4 9775 constante 8 5 saturacion 160 if v2 1 amp amp v1 0 rk 3 7480 constante 10 394 saturacion 120 controlador Pl ek
31. conocimiento de los elementos que puede obtener en el comercio Adem s puede adquirir productos y soluciones que generar n un ahorro en tiempo y recursos haciendo de la construcci n un proceso din mico y econ mico 53 RECOMENDACIONES Una de las formas de mejorar el sistema es agregar elementos adicionales al modelo matematico Tambi n mejorar y adaptar un sistema de control robusto que elimine con mas efectividad el error de seguimiento en estado estacionario y corrija los efectos de las perturbaciones de una forma mas r pida Al optimizar el algoritmo de control se puede desarrollar un an lisis de estabilidad exhaustivo para mejorar el diseno del convertidor Siempre dentro de un proyecto se desea una mejora continua de la investigaci n por este motivo se recomienda construir m s m dulos de electr nica de potencia para que se pueda llegar a formar un entrenador completo que permita a los estudiantes elaborar m s pr cticas en el laboratorio y ayudar al desarrollo de tecnolog as en esta rea tan amplia Al concluir este trabajo se considera interesante investigar sobre otros aspectos relacionados con los convertidores CC CC para extender los estudios expuestos en este trabajo Ya que estos sistemas tienen otros tipos de configuraci n se recomienda analizar la variaci n de estos circuitos para profundizar en alternativas que mejoren y complementen el conocimiento en los temas de electr nica de potencia 54 1
32. control del convertidor CC CC elevador se encuentra en el Anexo B Ver anexo B 4 2 PRESUPUESTO Para el presupuesto del proyecto se dividi en tres segmentos Costo de materiales costo de trabajo costo total Este estudio financiero es v lido hasta el 29 de mayo de 2015 ya que los precios de los elementos var an durante el a o 4 2 1 Costo de materiales En la siguiente tabla se puede ver el estudio de costo a los materiales comprados para la realizaci n del proyecto Tabla 7 Costos de materiales DESCRIPCI N Precio Unitario Cantidad Subtotal PCB Convertidor Inductor 9 8 mH 4 Amperes 50 000 1 50 000 Diodo MUR 480 2 500 3 7 500 Capacitor 220 uF 50 Volts 350 2 700 Transistor IRF 830 2 500 2 5 000 Disipador 1 000 2 2 000 Aislante 400 2 800 Resistencia 1 8 KO 100 2 200 Resistencia 470 100 2 200 Resistencia 220 O 100 2 200 47 Resistencia 3 3 KO 100 2 200 Resistencia 1 5 KO 100 2 200 Resistencia 5 3 O 100 2 200 Resistencia 180 O 100 2 200 Resistencia 120 O 100 2 200 Resistencia 1 KO 100 2 200 LM358 700 2 1 400 Led verde 5 200 1 200 Interruptor encendido 1 000 1 1 000 Interruptor 2 posiciones 500 1 500 Conector caiman rojo 500 2 1 000 Plug conec
33. cuito se dice que se obtuvieron resultados positivos gracias a que se gener un modo de conducci n discontinuo que no se ten a presente para la construcci n del m dulo pero que fue de gran ayuda para mejorar la investigaci n Al ver la gr fica obtenida para la corriente de la bobina se llega a la conclusi n que con este componente el convertidor puede pasar el limite entre la conducci n discontinua y la continua solo si se aumenta por lo menos 3 veces la frecuencia del PWM 52 Al realizar la simulaci n con el software OrCAD Capture se concluy que las consideraciones requeridas para la selecci n de los componentes adecuados del sistema se logr simular con referencias de componentes que se consiguen en el mercado local para aproximar el estudio a lo que se percibe en la vida real al implementar el convertidor CC CC elevador MATLAB ofrece herramientas eficaces al momento de sintonizar las constantes de control apropiadas para el sistema Gracias a este software se desarroll el controlador el cual tiene un comportamiento adecuado cuando se somete a una perturbaci n instant nea incluso ante un aumento subito de corriente estabilizando el sistema gilmente Al momento de realizar la construcci n del m dulo es de importancia realizar una lista de los componentes a conseguir Es importante hacer cotizaciones de los implementos que se van a comprar en m s de un local comercial ya que esto le brinda al comprador un
34. el conector para la fuente de alimentaci n cuenta con instructivo b sico como gu a de funcionamiento Ver anexo E Se utiliza un Multimetro digital de marca Pr sKit Ver anexo C como m dulo de instrumentaci n que permite medir frecuencia duty cycle voltaje resistencia entre otras variables El Multimetro se puede apreciar en la siguiente figura Figura 33 Mult metro digital para m dulo de instrumentaci n d Fuente Fotograf a Autores 4 1 2 Circuito impreso La placa del circuito del m dulo ya quemada en baquela se puede observar en la figura 34 El circuito impreso y la serigraf a se encuentran en los anexos del documento ver anexo D 43 Figura 34 Placa del m dulo convertidor Fuente Fotografia Autores Se soldaron los componentes en el circuito impreso quemado en baquela que conforman el circuito del m dulo convertidor CC CC elevador Se puede observar los elementos ya soldados en la placa en la siguiente figura Figura 35 Circuito completo del m dulo Fuente Fotograf a Autores En la figura anterior se puede apreciar las borneras del circuito las cuales permitir n conectar los cables que vienen de la tapa del m dulo 44 4 1 3 Fuente de alimentaci n del m dulo Se utiliza un adaptador como fuente de alimentaci n del m dulo convertidor CC CC elevador La figura 36 muestra el sistema que suministra la energ a al m dulo Figura 36 Fuente de al
35. en una tensi n continua en otro nivel de tensi n continua donde generalmente se puede proporcionar una salida regulada Los convertidores CC se podr an considerar con la semejanza de los transformadores CA ya que se usan para subir y bajar el voltaje de la fuente 12 Estos convertidores tienen variadas aplicaciones tales como fuentes de poder en computadoras sistemas de potencia en veh culos el ctricos etc Las configuraciones m s esenciales son reductor Buck elevador Boost Reductor elevador Buck Boost Las configuraciones mencionadas anteriormente llevan 4 elementos b sicos inductor L capacitor C diodo y un interruptor controlado as los 4 componentes mencionados anteriormente permitir n dependiendo de su ubicaci n caracter sticas distintas en el circuito 9 1 1 CONVERTIDOR REDUCTOR Un convertidor reductor es un tipo de circuito el cual produce un voltaje medio de salida inferior al voltaje de entrada Es usada para fuentes de energ a reguladas y control de velocidad de motores de corriente continua El funcionamiento del circuito se puede dividir en dos estados El modo 1 comienza cuando el switch se cierra La corriente de entrada pasa por el inductor de filtro el capacitor de filtro y el resistor de carga El modo 2 comienza cuando se apaga el switch El diodo conduce la energ a en el inductor y la corriente del inductor sigue pasando por el capacitor la carga y el diodo as continuamente 7
36. ico para aislar los cables y tiene una seguridad IP 56 La siguiente figura muestra la vista superior de la caja usada para la construcci n del m dulo donde se puede apreciar el interior del mismo Figura 28 Caja para construcci n del m dulo SSS EE ETE TUO NEG OEC RE P N w Fuente Fotograf a Autores Se le hacen perforaciones a la tapa de la caja para ensamblar los terminales que permitir n conectar los cables del m dulo La siguiente figura muestra la tapa del armaz n del circuito 40 Figura 29 Tapa del modulo Fuente Fotografia Autores La tapa del m dulo lleva un adhesivo con el diagrama de conexi n y las borneras El disefio de la distribuci n de las borneras en la tapa perforada se puede observar en la siguiente figura Figura 30 Tapa perforada con las borneras ensambladas Fuente Fotograf a Autores 41 El dise o del adhesivo para la tapa se plastific para evitar la suciedad y que le caiga algun l quido y se dane el esquema Se puede apreciar en la siguiente figura el plano de la etiqueta Figura 31 Dise o del adhesivo Fuente Autores La figura 32 muestra el m dulo del convertidor Figura 32 M dulo convertidor CC CC elevador Fuente Fotograf a Autores El m dulo del convertidor CC CC elevador completamente ensamblado se aprecia en la figura anterior A un costado de la caja se encuentra el bot n de 42 encendido y
37. imentaci n Fuente Fotograf a Autores Las caracter sticas de la fuente se pueden apreciar en la siguiente tabla Tabla 6 Caracter sticas de la fuente Modelo HX08 1205 608 CARACTERISTICAS ELECTRICAS Voltaje de entrada 100 240 V Frecuencia 50 60 Hz Voltaje de salida 12 V Corriente salida 5 A Fuente Autores 4 1 4 Arduino utilizado El arduino que se utiliz para la construcci n de la placa del circuito fue el arduino pro mini Atmega328 se decide por utilizar esta plataforma debido a que sus dimensiones son muy pequenas y adem s es de f cil implementaci n Para grabar el c digo de programaci n se utiliza una tarjeta que convierte niveles de RS 232 a TTL UART y un cable adaptador USB a serial RS 232 45 La siguiente figura muestra la tarjeta RS 232 ye gt 2 W E 34 Fuente Fotografias Autores El adaptador USB a serial RS 232 viene con un driver de instalaci n para que el computador acepte el envi de datos por este medio de comunicaci n y el software de la plataforma acceda al puerto En la figura 38 se puede ver el cable de conexi n Figura 38 Adaptador USB a serial RS 232 Fuente Fotograf a Autores 46 La conexi n del arduino para grabar el c digo se puede apreciar en la siguiente figura Figura 39 Conexi n para quemar el arduino AX A x Fuente Autores El algoritmo del sistema de
38. inter s y se trabaja alrededor de un punto de operaci n fijo en estado estable as Vso y Voo 5 Se muestra en las siguientes ecuaciones los deltas o cambios de la variable 7 Vso Ecuacion 2 13 Io Ecuaci n 2 14 Vo Vo Ecuaci n 2 15 Los valores Aij y Avot Se consideran como una perturbaci n al sistema Se asume que estas perturbaciones son m s pequenas que los valores de ILo y Vo que se toman como valores de estado estable donde los valores promedios de y Vo Se mantendr n muy cerca a los valores del punto de operaci n 5 20 Se procede a linealizar mediante la expansi n de las series de Taylor derivando parcialmente sobre los valores promedios de las ecuaciones 2 10 y 2 11 Quedando linealizado el sistema as 1 U V y vs T AU Aue Ecuaci n 2 16 U 1 I 7 Aine gc Avo Ecuacion 2 17 2 1 4 Espacio de estados Al tener el sistema linealizado se puede expresar en el espacio de estados primero se hace el cambio a variables de estado Ax Ai Ax Av Ax Ax Av El espacio de estados que representa la dinamica del sistema lineal es 14 Ax AAx BAu Ecuaci n 2 18 Ay CAx DAu Ecuacion 2 19 0 Ug 1 Voo _ 1 ra L L ie Uo 1 Ax is b Ecuaci n 2 20 C RC C Ecuacion 2 21 Av 0 2 2 DISENO DEL CONVERTIDOR CC CC
39. lo 45 4 1 4 Arduino utilizado i eris acus eeic rad 45 4 2 PRESUPUES TO lucia aaa 47 4 2 1 Costo de materiales 47 4 2 2 Costo de 49 423 Costo total add 49 4 3 RESULTADOS tia 49 CONCLUSIONES 52 RECOMENDACIONES o 54 BIBLIOGRAFIA nononono a a a 55 ANEXOS id 57 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Esquema del convertidor reductor 24 4 4 42 22 22 13 Figura 2 Esquema del convertidor elevador 14 Figura Esquema del convertidor reductor elevador 15 Figura 4 Se al del PWM arduino denn ted iretur ax lee ar edere ar 17 Figura 5 Diagrama en Simulink convertidor elevador 18 Figura 6 Esquema convertidor elevador con interruptor cerrado 18 Figura 7 Esquema convertidor elevador con interruptor abierto 19 Figura 8 Esquema convertidor elevador de 24 volts software OrCAD 24 Figura 9 Gr fica convertidor elevador de 24 volts software OrCAD 24 Figura 10 Esquema convertidor ele
40. mV DIV 3 10mV DIV 20mV DIV 3 Rdg 0 05DIV HORIZONTAL SYSTEM 10ns 50s DIV 5ns 50s DIV 2ns 50s DIV 2ns 50s DIV 500M Sa s 500M Sa s 1G Sa s 1G Sa s Sinx x 2 x 512k channel 25k 12 5k per channel 100ppm over any gt 1 5 time interval Single 1 sampling interval time 100ppm x rdg 0 6ns Average 1 sampling interval time 50ppm x rdg 0 4ns TRIGGER SYSTEM AUTO Normal Single Edge TV pulse Width 80ns 1 5s FFT ACQUIRE INPUT DC AC or GND 1MQ 2 20pF 3pF 1x 10x 100 1000x 400V DC AC peak at 1KHz or less 57 Channel CMR Channel isolation Persist time STORAGE RECORDER Cursor AUTO Mesure Standard Output Voltage Output Frequency POWER SOURCE ACCESSORIES DIMENSIONS amp WEIGHT Better than 40 1 Better than 40 1 DISPLAY 1s 2s 5s Waveform Setup Bit Record Replay MEASUREMENT Voltage differenceA V between cursors Time difference AT between cursors Reciprocal of AT in Hz 1 AT Vrms Vavg Vp p Vmax Vmin Vtop Vhigh Vlow Vmid Vamp period Freq Rise Fall Width Duty Duty Delay I O USB OTG CALIBRATOR SIGNAL 3V 21MQ load 1 kHz 100 240VACrms 45Hz 440Hz 50VaMax CAT II One operation manual Power cord USB cable probe2 Software CD ROM 306 W x 147 H x 122 D mm 2 2kg 58 ANEXO B ALGORITMO DEL CONTROLADOR Sistema de control Pl La ecuaci n en diferencia del controlador Pl modifica la entrada del sistema u k que ha
41. n del mismo entre estos se encuentran Modelo matem tico f sico Esta secci n del proyecto incluye el modelo matem tico basado en las leyes de Kirchhoff an lisis del sistema en el software MATLAB del sistema en lazo abierto Prototipo en lazo abierto Implementaci n del sistema en lazo abierto con las caracter sticas y especificaciones dise adas An lisis en el software OrCAD capture con las descripciones de los componentes que conforman el convertidor Diseno de controlador Hace referencia a las funciones de transferencia que se obtienen del convertidor y el controlador aplicado a este El an lisis del sistema en lazo cerrado con el controlador desarrollado en diagramas de bloques en Simulink del software MATLAB Construcci n del sistema Culminaci n del proyecto ensamblado en baquela y acoplado con la estructura del m dulo Se simularon los circuitos en el software OrCAD capture en este programa se mont los circuitos de los convertidores CC CC elevadores se obtuvieron gr ficas del comportamiento del sistema para su an lisis y los an lisis para el controlador se realizaron mediante MATLAB CONTENIDO INTRODUCCI N acosan 10 1 CONVERTIDORES iniciada 12 1 1 CONVERTIDOR 12 1 2 CONVERTIDOR ELEVADOR eee nenene 13 1 3 CONVERTIDOR
42. o y una se al de 127 representa el 50 del ciclo de trabajo Estas se ales se pueden observar en la siguiente figura Figura 4 Se al del PWM en arduino Pulse Width Modulation 0 Duty Cycle analogWrite 0 5v Ov 25 Duty Cycle analogWrite 64 5v Ov 50 Duty Cycle analogWrite 127 5v Ov 7596 Duty Cycle analogWrite 191 Sv Ov 100 Duty Cycle analogWrite 255 5v Ov Fuente PWM arduino Diagrama 17 de noviembre de 2014 Disponible en la web lt http www arduino cc en Tutorial PWM gt 17 2 MODELADO Y DISENO DEL CONVERTIDOR CC CC BOOST 2 1 MODELO DEL CONVERTIDOR BOOST Para el diseno del convertidor CC CC elevador se desarrolla un modelo dinamico del sistema como objetivo inicial con base en las leyes de Kirchhoff aplicandose para cada estado del circuito del convertidor Se utiliza una t cnica que le denominan modelo en peque a se al que consiste b sicamente a un equivalente lineal que responde a pequenas perturbaciones 5 Los siguientes diagramas se desarrollaron en el software Simulink de MATLAB Figura 5 Diagrama en Simulink convertidor elevador gt Continuous RV deal Switch powergui Pulse Generator Fuente Autores Para el interruptor cerrado las ecuaciones quedan asi Figura 6 Esquema convertidor elevador con interruptor cerrado Fuente Autores di Us m Ecuaci n 2 1 dt L dv v Ecuacion 2 2 18
43. o de apagado del PWM lo que causa que llegue a cero la corriente de inductor si se aumenta por lo menos 3 veces m s la frecuencia del PWM el tiempo de descarga del inductor podr a no ser m s r pido que el tiempo de apagado del PWM y quedar a en el limite del modo de conducci n continua Debido a que las cargas son inductivas el sistema con este inductor entra en un modo de resonancia con la carga donde la energ a almacenada en la bobina y el condensador son m ximos esto genera que haya un aumento en el voltaje y produciendo un ruido sobre los motores Este aumento de tensi n puede provocar danos sobre el sistema 2 5 PROTOTIPO DEL CONVERTIDOR ELEVADOR Para estas pr cticas se utiliz un arduino mega2560 que permite una salida de PWM que va a la compuerta del MOSFET El experimento se realiz con el sistema en lazo abierto para las pruebas iniciales de funcionamiento La simulaci n en lazo abierto del convertidor elevador se efectu en MATLAB obteniendo la siguiente gr fica Figura 17 Gr fica en lazo abierto Scope gt Voltaje de salida Fuente Autores 30 En la figura anterior se alcanza a apreciar el sobre pico que supera el 25 del valor del voltaje esperado que luego cae de forma oscilatoria al valor estimado de salida El arduino mega 2560 que se uso en el prototipo se puede ver en la siguiente figura Figura 18 Arduino Mega 2560
44. os de par metros de disefio Variable Convertidor 18V Convertidor 24 V k 0 3333 0 5 0 01 A 0 02 A 1 0 0225 A 0 15A L 0 03A 0 161 A AV 0 00072 V 0 00543 V Le 0 00425 H 0 001275 H Ce 4 43 1079 2 49 10 8 Fuente Autores 23 Las simulaciones de los convertidores con distintas cargas se realizaron en el software OrCAD Capture con el objetivo de que la simulaci n se ejecute con referencias de componentes que se consiguen en el mercado local con estas particularidades se construyen los esquemas de los convertidores elevadores En la siguiente figura se puede observar el esquema del elevador para 24 volts Figura 8 Esquema convertidor elevador de 24 volts software OrCAD L1 D4 MUR480 M2 IRFZ34 2 5 0 TR 1 1 PW 16 665u PER 33 33u pre i V1 0 a e e Fuente Autores La figura 9 muestra el convertidor de 12 a 24 volts donde se puede ver que el sistema en lazo abierto tiene una p rdida de 2 volts ya que los componentes del software OrCAD tienen una aproximaci n al comportamiento real del elemento gracias a su completo modelo PSpice lo que hace que el software de simulaci n sea muy completo a la hora de hacer estos an lisis 47 206ms 47 66Gms 48 606ms 48 480ms U D4 2 U L1 1 U R1 1 Time Fuente Autores 24 Para el convertidor que tiene como salida un voltaje de 18 volts
45. rcha INSTRUCTIVO MODULO CONVERTIDOR CC CC ELEVADOR DESCRIPCION COMPONENTES EI m dulo convertidor CC CC elevador consta de los siguientes elementos 1 Convertidor CC CC elevador La siguiente figura muestra el m dulo del sistema Figura 1 M dulo convertidor Fuente Autores 2 Fuente de alimentaci n Las caracter sticas de la fuente se pueden apreciar en la siguiente tabla Tabla 1 Caracter sticas de la fuente Modelo HX08 1205 608 CARACTER STICAS EL CTRICAS Voltaje de entrada 100 240 V Frecuencia 50 60 Hz Voltaje de salida 12 V Corriente salida 5 A INSTRUCTIVO MODULO CONVERTIDOR CC CC ELEVADOR La fuente de alimentaci n se puede observar en la siguiente figura Figura 2 Fuente de alimentaci n del m dulo Fuente Autores 3 M dulo de instrumentaci n Este m dulo es un Mult metro digital de marca Pr sKit que se utiliza para la medici n de la frecuencia ciclo de trabajo y otras variables que se contemplan en el circuito del m dulo La siguiente figura muestra el instrumento Figura 3 Mult metro digital Fuente Autores A INSTRUCTIVO M DULO CONVERTIDOR CC CC ELEVADOR 4 Cargas del m dulo Para el m dulo se contemplan dos cargas inductivas que se pueden apreciar en las siguientes figuras Figura 4 Motor de 24 V Fuente Autores Figura 5 Motor 18 V Fuente Autores Tabla 2
46. tor banana rojo 500 20 10 000 Plug conector banana negro 500 10 5 000 Conector banana hembra rojo 400 29 11 600 Conector banana hembra negro 400 13 5 200 Cable calibre 18 rojo 500 9 4 500 Cable calibre 18 negro 500 4 2 000 Cable polarizado 1 000 1 1 000 Jack 8 mm 800 2 1 600 Espadines Hembra 500 2 1 000 Base para integrado de 8 pines 700 1 700 Espadines Macho 500 2 1 000 Borna conexi n 600 2 1 200 Arduino Pro Mini 22 700 1 22 700 Baquela 30x30 cm 25 000 1 25 000 Otros componentes Fuente de 12 Volts 5 Amperes 36 000 1 36 000 Mult metro digital Pr skit 74 600 1 74 600 Caja para conexiones el ctricas 66 000 1 66 000 Propalcote 1 000 1 1 000 Impresi n l ser circuito 600 6 3 600 Adhesivo para la tapa 20 000 1 20 000 Sharpie 2 500 1 2 500 Percloruro F rrico 2 000 2 4 000 Alcohol Isoprop lico 4 000 1 4 000 Broca 1 32 3 000 2 6 000 Broca 1 16 1 700 2 3 400 Tornillo M3 50 3 150 Tuerca M3 50 3 150 Tornillo M2 goloso 20 00 10 200 Total 386 000 Fuente Autores 4 2 2 Costo de trabajo Se estimaron los costos de trabajo por hora que llevo el proyecto Tabla 8 Costos de trabajo ACTIVIDAD COSTO HORA NUMERO HORAS COSTO Disefio adhesivo 10 000 00 2 20 000 00 Dise o convertidor 15 000 00 40 600 000 00 Implementaci n f sica 15 000 00 20 3
47. vador de 18 volts software OrCAD 25 Figura 11 Gr fica del convertidor elevador de 18 volts software OrCAD 25 Figura 12 Gr ficas de voltaje de salida y corriente de inductor Simulink 26 Figura 13 Motor de 18 27 Figura 14 Motor de 24 27 Figura 15 Gr fica de corriente sobre el inductor 1 29 Figura 16 Gr fica de corriente sobre el inductor 2 29 Figura 17 Gr fica en lazo 30 Figura 18 Arduino Mega 2560 reden diee ee 31 Figura 19 Sistema en lazo abierto del convertidor elevador 31 Figura 20 Convertidor elevador en funcionamiento con el osciloscopio 32 Figura 21 Ventana de configuraci n del controlador 35 Figura 22 Diagrama de bloques lazo cerrado en tiempo discreto 36 Figura 23 Gr fica de la se al de salida con el controlador Pl sintonizado 36 Figura 24 Divisor de tensi n sensor del convertidor elevador 37 Figura 25 Sistema en protoboard lazo cerrado con motor de 18 volts 38 Figura 26 Arduino pro mini 3 28 38 Figura 27 Prototipo convertidor lazo cerrado motor 24 vollts
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